CN103900255B - 燃气炉及其热交换器组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃气炉及其热交换器组件，所述热交换器组件，包括相互间隔叠设的至少三排换热管以及至少二换热壳体，所述至少三排换热管通过所述至少二换热壳体依次首尾连接，整体构成盘旋状烟气通道。本发明中，通过换热壳体将至少三排换热管首尾串连组装成热交换器组件，从而可使热交换器组件结构更紧凑，有利于产品小型化，且这种管‑壳混合式热交换器组件不再受一体弯折式换热管回转半径的限制，较现有热交换器更易控制热点温度，无合壳式热交换器上游烟气旁通至下游烟道的顾虑，成本更低。将这种换热管组件应用于燃气炉，也便于燃气炉内部各器件的布局。
Description
技术领域
本发明涉及燃气设备技术领域，更具体地说，是涉及一种应用于燃气炉内的热交换器组件及应用该热交换组件的燃气炉。
背景技术
现有技术中，采暖用强制通风式燃气炉通常包括燃烧器组件、热交换器组件、冷凝式二级热交换器、烟气排放系统以及送风风机。其工作原理是：天然气、石油气等气体燃料输送到燃烧器组件，经燃烧器内点火系统点燃后在热交换器组件内燃烧，烟气在热交换器组件内由进口流向出口，将燃烧产生的烟气热量传给沿热交换器外表面流动的采暖空气，并避免将燃烧水汽冷凝在热交换器内表面。当烟气温度降至一定值后，烟气进一步被引导通过冷凝器，将剩余的烟气能量包括冷凝燃烧水汽的相变热传给通过燃气炉的采暖空气。烟气完成该传热过程后由排放系统排到室外。而送风风机则强迫采暖空气流通过燃气炉，将从换热器组件和冷凝器表面获得的热量输送到用户环境中。
而传统的热交换器组件一般有两种：一体式弯管换热管组件和合壳式换热器组件。一体式弯管换热管组件通常采用机械折弯的方法将镀铝钢管折弯成带有多个直管段和弯管段的呈盘形的管件，再将多根成形后的换热管件并列固定在进出口的固定端板上组成换热管组件。而进口端板与换热管衔接的开口与燃烧器烧嘴对应，运行时吸入燃烧气体。这种一体式弯管换热管组件中，由于换热管件的管径须满足燃烧空间及传热表面积的要求，其管径通常较粗，折弯时会在弯管的外圆弧表面造成金属晶格的拉伸，而内折弯处造成对材料的挤压。制造中为保持弯管段的圆形截面形状，常须将弯管内形成多道皱纹。故受钢管延展性和耐挤压性能的限制，换热管件的回转半径往往设计得比较大，不利于燃气炉产品的低矮化设计以便提高运输及安装过程的费效比和空间的占用率。而且这种结构中，换热管的传热效率沿烟气流动方向逐渐降低，为了提高换热效率，有的厂家常将管件局部压扁或布置凹点以强化烟气侧的传热效率，但这样会损坏管件表面镀层，在燃气炉运行中造成局部热点导致材料的氧化锈蚀，缩短产品使用寿命。而合壳式换热器虽然易于对烟气流道截面形状按照传热需求作相应改变，适合批量化生产的优点，但是其设计不易，开发过程长，而且模具成本和工艺要求也高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术之缺陷，提供一种易于加工、组装方便且结构紧凑的热交换器组件及采用这种换热器组件的燃气炉。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种热交换器组件，包括相互间隔叠设的至少三排换热管以及至少二换热壳体，所述至少三排换热管通过所述至少二换热壳体依次首尾连接，整体构成盘旋状烟气通道。
具体地，所述换热壳体包括底壳及罩设于该底壳上的壳罩，该底壳与对应的相邻两排换热管的一端连接，该两排换热管穿过底壳并通过壳罩与底壳形成的空间相互连通。
具体地，所述壳罩具有可供烟气分流换向的隆拱面，各壳罩的隆拱面的隆拱度不同。
进一步地，各所述壳罩的隆拱面形状不同。
进一步地，所述各排换热管均包括至少一根换热管。
进一步地，所述各排换热管中第一排换热管的数量为N，第二排换热管的数量为N+1，第三排换热管的数量为2N+1，第四排换热管的数量为4N+2，以此类推。
具体地，所述换热管为三排，其中上排换热管的两端口与中排换热管的两端口沿采暖空气流动方向分别错开设置，中排换热管的两端口与下排换热管的两端口部分错开设置、部分对齐设置。
具体地，各所述换热管均为圆柱状中空管，不同排换热管的管径不同。
优选地，相邻上、下两排所述换热管的管径之比为1.0-1.5。
或者，各所述换热管为椭圆柱状中空管，不同排换热管的横截面面积不同。
优选地，所述椭圆柱状中空管截面椭圆的长轴长度和短轴长度之比至少为1.2，且相邻上、下两排所述换热管的截面椭圆的长轴长度和短轴长度之比为1.0-1.5。
优选地，所述各排换热管的长度与各排换热管叠设的高度之比大于2.0。
优选地，自第一排换热管以下的各排换热管内置扰流器，各所述扰流器长度与其所在的换热管长度之比不超过0.8。
本发明还提供了一种燃气炉，包括炉体、设于所述炉体内的燃烧器组件、与所述燃烧器组件出口端连接的热交换器组件、与所述热交换器组件连接的冷凝器、设于所述冷凝器下方的送风风机组件以及设于所述冷凝器一侧的排烟风机组件，所述热交换器组件具有上述的结构。
本发明中，通过换热壳体将至少三排换热管首尾串连组装成热交换器组件，从而可使热交换器组件结构更紧凑，有利于产品小型化，且这种管-壳混合式热交换器组件不再受一体弯折式换热管回转半径的限制，较现有合壳式热交换器更易控制热点温度，无合壳式热交换器上游烟气旁通至下游烟道的顾虑，成本更低。将这种换热管组件应用于燃气炉，也便于燃气炉内部各器件的布局。具体地，在燃气炉低矮化设计时，仍能保证冷凝器与燃气炉中隔板之间有足够的高度，让送风风机的送风相对均匀地扩散冷凝器迎风面，获高效传热，减少送风阻力。
附图说明
图1是本发明提供的热交换器组件的结构示意图；
图2是本发明实施例中第一种壳罩的结构示意图；
图3是本发明实施例中第二种壳罩的结构示意图；
图4是本发明实施例中热交换器组件各排换热管排列示意图一；
图5是本发明实施例中热交换器组件各排换热管排列示意图二；
图6是本发明提供的燃气炉一较佳实施例的结构图；
图7是本发明实施例中燃气炉的分解图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，为本发明提供的一种应用于燃气炉内的热交换器组件100。该热交换器组件100包括相互间隔叠设的三排换热管以及将该三排换热管首尾连接的两个换热壳体140。在本发明较佳实施方式中，该三排换热管相互平行且间隔叠设于一起；该两个换热壳体140相对设置于该三排换热管的两端，将相邻两排换热管的同一端口连通，形成前述首尾依次连接的中空盘旋状热交换组件100。此处为便于说明，将此三排换热管分别命名为上排换热管110、中排换热管120及下排换热管130。其中，上排换热管110位于左侧的端口111与中排换热管120位于左侧的端口121通过换热壳体140连通，中排换热管120位于右侧的端口122与下排换热管130位于右侧的端口132也通过一换热壳体140连通，这样，三排换热管和二个换热壳体140构成首尾连接的盘旋状烟气通道。上排换热管110的端口112和下排换热管130的端口131分别作为热交换器组件100烟气侧的进口与出口。当然，这里的换热管也不限于本实施例中的三排，也可以为更多排，只需将相邻两排位于同一侧的端口通过换热壳体140连通即可。
本实施例中，通过至少二换热壳体140将至少三排换热管首尾串连组装成热交换器组件100，从而可使热交换器组件结构更紧凑，有利于产品低矮化设计，且这种管-壳混合式热交换器组件，不再受一体弯折式换热管回转半径的限制，较现有合壳式热交换器更易控制热点温度，无上游烟气旁通至下游烟道的顾虑，成本更低。
具体地，如图1中所示，换热壳体140包括一底壳141及罩设于底壳141上的壳罩142。该底壳141与对应的相邻两排换热管的一端连接，该两排换热管穿过底壳141并通过壳罩142与底壳141形成的空间相互连通。底壳141与壳罩142可通过卷边紧固或焊接的方法合成一烟气流通空间。在图1所示实施例中，所述壳罩142为蚌形壳罩。上排换热管110的端口111与中排换热管120的端口121均穿过并与底壳141固定连接，这样，换热壳体140就将上排换热管110与中排换热管120在烟气侧连通；中排换热管120的端口122与下排换热管130的端口132也连接固定于另一换热壳体140的底壳141上，这样，此换热壳体140就将中排换热管120与下排换热管130在烟气另一侧加以连通。
本实施例中，各壳罩142上具有可供烟气分流换向的隆拱面1421，各壳罩142的隆拱面1421的隆拱度不同。这里所述的隆拱度定义为壳罩142的隆拱厚度与各排换热管垂直方向上的高度之比。本实施例中，热交换器组件100安装于炉体后，烟气由上至下流通，为避免来自上排换热管110的高温烟气在上一个换热壳体140的壳罩142的隆拱面1421上产生过热点，用于连通上排换热管110和中排换热管120的换热壳体140，其壳罩142的隆拱面1421的隆拱度大于连通于中排换热管120和下排换热管130之间的换热壳体140的壳罩142的隆拱面1421的隆拱度，这样，连接于中排换热管120和下排换热管130之间的换热壳体140的壳罩142的隆拱面1421的隆拱度相对较小，不仅可在出烟气侧获得良好的传热效率，而且较小的隆拱度也有利于在送风风机失效或风量不足时更易让炉体内的温度开关捕捉到过热信号，从而作出相应的安全控制措施。且这里各壳罩142的隆拱面1421的隆拱度大小取决于，炉体内流烟气的流速、平衡传热效率和壳体表面温度控制的需要。即是，当热交换器组件100安装后，按烟气流动方向，各壳罩142的隆拱面1421的隆拱度沿烟气流向依次递减。
本实施例中，各壳罩142的隆拱面1421的隆拱形状各不相同。具体地，参照图2，为图1中连接于上排换热管110和中排换热管120之间的换热壳体140的壳罩142的结构图。图2中，壳罩142的隆拱面1421上设有三个拱状凸起1422，这样有助于将烟气气流从上排换热管110的端口111引导入中排换热管120的端口121，避免在壳罩142的隆拱面1421上出现过高的热点温度，同时又让不受来流烟气严重冲击的壳体表面有足够的传热效率。参照图3，为图1中连接于中排换热管120和下排换热管130之间的换热壳体140的壳罩142的结构示意图。图3中，壳罩142的隆拱面1421一侧设有三个凹槽1423，这样凹槽形成正对中排换热管120出口的引流槽道，可将这烟气流导流入下排换热管120中。同时，凹槽1422表面可有效贴近热烟气流，有利于烟气一侧的传热。当然，凹槽1423不限于图中三个，可根据需要连接的当前排换热管数量而定。
为满足换热效果，各排换热管均包括至少一根换热管。且各排换热管的数量满足以下规律：当第一排换热管的数量为N，则第二排换热管的数量为N+1，第三排换热管的数量为2N+1，第四排换热管的数量为4N+2，以此类推。本实施例中，共有三排换热管，其中，上排换热管110的数量为三，中排换热管120的数量为四，下排换热管130的数量即为七，满足上述的规律。当然，也可根据实际需要灵活设置不同数量的换热管。
本实施例中，相邻两排换热管之间的相对位置不同。优选地，上排换热管110的两端口和中排换热管120的两端口沿空气流动方向错开设置，这样，利用空气流过中排换热管120后产生的不稳定尾流来强化上排换热管110空气一侧的传热。中排换热管120的端口122和下排换热管130的端口132部分对齐设置、部分错开设置，而中排换热管120的另一端口121与下排换热管130的另一端口131也是部分对齐设置，部分错开设置，这样，利用空气流过下排换热管130后产生的不稳定尾流来强化中排换热管120空气一侧的传热，从而达到提高换热效率的目的。具体地，如图4所示，示出了当上排换热管110的数量为三个，中排换热管120的数量为四个，下排换热管130的数量为七个时，其端口排列结构，由图中可以看出，上排换热管110与中排换热管120错开设置，而中排换热管120与下排换热管130中，四个中排换热管120与四个下排换热管130对齐设置，而另三个下排换热管130则错开居中设置。如图5所示，示出了当上排换热管110的数量为二个，中排换热管120的数量为三个，下排换热管130的数量为五个时，其端口排列结构。由图中可以看出，上排换热管110与中排换热管120错开设置，而中排换热管120与下排换热管130中，三个中排换热管120与三个下排换热管130对齐设置，而另两个下排换热管130则错开居中设置。
优选地，为减少换热管制造成本，本实施例中，各换热管均为圆柱状中空管；且为满足传热效率和传热总面积的需要，不同排换热管的管径各不同。在将换热器组件安装于燃气炉内时，不同排换热管的管径可沿烟气流动方向依次递减。优选地，相邻上、下两排换热管的管径之比为1.0-1.5。这样，通过不同管径的换热管的组合，可控制烟气流通过换热管的流速，从而在低温管段也能获得理想的换热效率。所述管径的递减量取决于保持烟气侧传热效率和总传热面积的需要，上下两排换热管的管径之比大约为1.0-1.5。
当然，各换热管也可为椭圆柱状中空管，且椭圆柱状中空管截面椭圆的长短轴之比至少为1.2。不同排换热管的横截面积各不相同，相邻上、下两排所述换热管的截面椭圆的长轴长度和短轴长度之比为1.0-1.5。采用椭圆柱状中空管，这样由下而上的流通空气流过椭圆柱状换热管外表面的流动压力损失可较流过具同样表面积的圆管为小，而通风量和送风机马达电耗之比是燃气炉性能的一个重要指标。其比值越大，即表明热交换器组件的空气流阻越小，或风机越高效，或两者兼而有之。当将换热器组件安装于燃气炉内时，椭圆柱状中空管的截面椭圆的长轴方向与管外空气流动方向基本平行。
且本实施例中，各排换热管的长度与各排换热管叠设的高度之比大于2.0。即是整个热交换器组件的深度(与燃气炉正面相垂直的方向)与高度之比大于2.0。在燃气炉内，热交换器组件的深度一般受燃气炉炉体标准深度限制，故深度与高度之比越高，即表明热交换器组件的高度越小，从而使低矮型燃气炉设计得以实现。
本实施例中，自中排换热管120始，每换热管内置扰流器(图中未示出)。当换热管为多排时，自第一排换热管以下的各排换热管内置扰流器。优选地，各扰流器长度与其所在的换热管长度之比不超过0.8。这样，换热管进口一段管内无扰流器作强化传热，从而更经济有效地提高换热效率。
参照图6、图7，本发明还提供了一种燃气炉200，其包括炉体210、设于炉体210内的燃烧器组件220、与燃烧器组件220出口端连接的热交换器组件100、与热交换器组件100连接的冷凝器230、设于冷凝器230下方的送风风机组件240以及设于冷凝器240一侧的排烟风机组件250，其中，热交换器组件100具有上述的结构，此处不作赘述。由于采用上述的热交换器组件100，燃气炉200的结构可设计成小型、紧凑。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种热交换器组件，其特征在于：包括相互间隔叠设的至少三排换热管以及至少二换热壳体，所述至少三排换热管通过所述至少二换热壳体依次首尾连接，整体构成盘旋状烟气通道，所述换热壳体包括底壳及罩设于该底壳上的壳罩，该底壳与对应的相邻两排换热管的一端连接，该两排换热管穿过底壳并通过壳罩与底壳形成的空间相互连通，所述壳罩具有可供烟气分流换向的隆拱面，各壳罩的隆拱面的隆拱度不同。
2.如权利要求1所述的热交换器组件，其特征在于：各所述壳罩的隆拱面形状不同。
3.如权利要求1所述的热交换器组件，其特征在于：所述各排换热管均包括至少一根换热管。
4.如权利要求1所述的热交换器组件，其特征在于：所述各排换热管中第一排换热管的数量为N，第二排换热管的数量为N+1，第三排换热管的数量为2N+1，第四排换热管的数量为4N+2，以此类推。
5.如权利要求1所述的热交换器组件，其特征在于：所述换热管为三排，其中上排换热管的两端口与中排换热管的两端口沿采暖空气流动方向分别错开设置，中排换热管的两端口与下排换热管的两端口部分错开设置、部分对齐设置。
6.如权利要求1所述的热交换器组件，其特征在于：各所述换热管均为圆柱状中空管，不同排换热管的管径不同。
7.如权利要求1所述的热交换器组件，其特征在于：相邻上、下两排所述换热管的管径之比为1.0-1.5。
8.如权利要求1所述的热交换器组件，其特征在于：各所述换热管为椭圆柱状中空管，不同排换热管的横截面面积不同。
9.如权利要求8所述的热交换器组件，其特征在于：所述椭圆柱状中空管截面椭圆的长轴长度和短轴长度之比至少为1.2，且相邻上、下两排所述换热管的截面椭圆的长轴长度和短轴长度之比为1.0-1.5。
10.如权利要求1所述的热交换器组件，其特征在于：所述各排换热管的长度与各排换热管叠设的高度之比大于2.0。
11.如权利要求1至10中任一项所述的热交换器组件，其特征在于：自第一排换热管以下的各排换热管内置扰流器，各所述扰流器长度与其所在的换热管长度之比不超过0.8。
12.一种燃气炉，包括炉体、设于所述炉体内的燃烧器组件、与所述燃烧器组件出口端连接的热交换器组件、与所述热交换器组件连接的冷凝器、设于所述冷凝器下方的送风风机组件以及设于所述冷凝器一侧的排烟风机组件，其特征在于：所述热交换器组件具有如权利要求1至11中任一项所述的结构。
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